基于建筑施工造价管理的碳纤维复合材料开发与应用*

崔晨华

（咸阳职业技术学院,陕西咸阳712046）

碳纤维增强水泥基复合材料是一种将碳纤维或石墨纤维掺入水泥浆而成的纤维增强水泥复合材料,由于在水泥中加入了纤维增强体,水泥基复合材料的综合性能得到了明显提高,使其同时兼具水泥基和纤维的材料特性[1],具有密度轻、强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀性好等特点,在建筑施工中具有较为广泛的应用前景。然而,实际应用过程中,碳纤维在水泥基复合材料中较难弥散分布,通常会发生团聚而影响碳纤维/基体结合力,且碳纤维与水泥基的相容性较差,粘接强度较低而影响综合力学性能[2],需要从改善原材料、增加施工工艺等方面来弥补缺陷,相应的施工造价成本也会上升。为了降低施工造价成本,需要对碳纤维预水泥基界面结合力差等问题进行改进,较为可行的方法是对碳纤维进行表面改性处理[3]。虽然采用化学镀、气相沉积等方法制备的碳纤维氧化涂层可以一定程度上改善碳纤维的界面结合力等问题,但是同时存在沉积温度高、周期长、较难大规模生产应用等问题[4-5],在此基础上,本文采用操作简单的Sol-gel法在碳纤维表面制备了SiO2涂层,并对比了掺量和长度对复合材料抗折强度和抗压强度的影响,以期开发出有利于控制施工造价的高性能碳纤维增强水泥基复合材料。

1 试验材料与方法

1.1 实验材料

日本东丽公司生产的T700型短切碳纤维(丝数3000、抗拉强度3530MPa、拉伸模量225GPa、断后伸长率1.5%、纤维直径7μm、密度1.79g/cm3)；纯度99.5%的无水乙醇,浓度6mol/L的碱性硅溶胶,52.5R型普通硅酸盐水泥,纯度94%的微硅粉,平均粒径0.68mm的细骨料,FDN-B型减水剂,掺量占凝胶材料0.2%(wt.)的DX-4型消泡剂。

1.2 试样制备

采用Sol-gel法将碳纤维进行SiO2涂层改性处理：将碱性硅溶胶用无水乙醇稀释成0.3mol/L的SiO2胶粒为主的溶胶,在超声波清洗机中震动10min,然后取出碳纤维去除过多溶胶,转入干燥箱中进行烘干,并分别进行345℃/2h和685℃/2h的高温烧结,得到SiO2涂层改性碳纤维。根据GB/T 17671水泥胶砂强度测试标准设定了水泥基复合材料的配合比：水泥405g、硅微粉45g、标准砂1350g、消泡剂0.9g、水225g、水胶比0.5、减水剂掺量为1.2%(wt.),碳纤维和SiO2涂层改性碳纤维的掺量介于0～1 %。在J-180型行星水泥胶砂搅拌机中制备水泥基复合材料,混合均匀后装入固定模具(150mm×50mm×50mm)中,振捣密实后置于养护箱中进行25℃、相对湿度97%、时间为24d的养护处理,然后在25℃养护池中养护28d,取出后进行抗压强度和抗折强度测试。

1.3 测试方法

采用三点弯曲试验测试水泥基复合材料的抗折强度[6],整个加载过程中的速率为25N/s,结果取三组试样的平均值；采用中心加荷法测试水泥基复合材料的抗压强度[7],受压面积为1600mm2,结果取6组试样的平均值。表面形貌和断口形貌采用SU8010型扫描电子显微镜进行观察。

2 试验结果与分析

图1为碳纤维掺量（质量分数）对水泥基复合材料抗折强度的影响,分别列出了碳纤维长度为1mm、3mm、5mm、7mm和10mm时水泥基复合材料的抗折强度。对比分析可知,不同碳纤维长度的水泥基复合材料的抗折强度都随着碳纤维掺量的增加而增大,且在相同碳纤维掺量下,碳纤维长度越大则对应的抗折强度越大,当碳纤维长度为10mm、碳纤维掺量为1%时,水泥基复合材料的抗折强度达到12.3MPa,而相同碳纤维掺量下碳纤维长度为1mm的水泥基复合材料的抗折强度为11.0MPa。可见,碳纤维掺量相同条件下,碳纤维增强水泥基复合材料中的碳纤维长度越大则抗折强度越大,但是相对而言,当碳纤维掺量达到0.6%及以上时,水泥基复合材料抗折强度的增加幅度变缓。

图1 碳纤维掺量对水泥基复合材料抗折强度的影响Fig. 1 Effect of carbon fiber content on flexural strength of cement-based composites

图2为碳纤维掺量对水泥基复合材料抗压强度的影响,分别列出了碳纤维长度为1mm、3mm、5mm、7mm和10mm时水泥基复合材料的抗压强度。对比分析可知,不同碳纤维长度的水泥基复合材料的抗压强度都随着碳纤维掺量的增加先增加后减小,在碳纤维掺量为0.6%时取得最大值（碳纤维长度10mm时为95.7MPa）；在相同碳纤维掺量下,碳纤维长度越大则对应的抗压强度越大,当碳纤维长度为10mm、碳纤维掺量为1%时,水泥基复合材料的抗压强度为93.2MPa,而相同碳纤维掺量下碳纤维长度为1mm的水泥基复合材料的抗压强度为89.6MPa。综上,当碳纤维掺量达到0.6%时,碳纤维长度为1mm、3mm、5mm、7mm和10mm时水泥基复合材料的抗压强度都达到最大值。

图2 碳纤维掺量对水泥基复合材料抗压强度的影响Fig. 2 Effect of carbon fiber content on compressive strength of cement-based composites

图3为SiO2涂层改性碳纤维的表面形貌。可见,对碳纤维进行表面改性处理后,SiO2涂层改性碳纤维表面出现了致密、厚度均匀的SiO2涂层。且涂层表面未见明显开裂或者起皮等现象。这些SiO2涂层是碳纤维表面先驱体溶胶在高温下脱水形成[8]。

图3 SiO2涂层改性碳纤维的表面形貌:(a)500倍; (b)2000倍; (c)5000倍Fig. 3 Surface morphology of carbon fiber modified by SiO2 coating

图4为SiO2涂层改性碳纤维掺量对水泥基复合材料抗折强度的影响,分别列出了碳纤维长度为1mm、3mm、5mm、7mm和10mm时水泥基复合材料的抗折强度。对比分析可知,不同碳纤维长度的水泥基复合材料的抗折强度都随着SiO2涂层改性碳纤维掺量的增加逐渐增加,且在相同SiO2涂层改性碳纤维掺量下,碳纤维长度越大则对应的抗折强度越大,当碳纤维长度为10mm、SiO2涂层改性碳纤维掺量为1%时,水泥基复合材料的抗折强度达到13.8MPa,而相同SiO2涂层改性碳纤维掺量下碳纤维长度为1mm的水泥基复合材料的抗折强度为12.3MPa。可见,SiO2涂层改性碳纤维掺量相同条件下,碳纤维增强水泥基复合材料中的碳纤维长度越大则抗折强度越大,但是相对而言,当SiO2涂层改性碳纤维掺量达到0.6%及以上时,水泥基复合材料抗折强度的增加幅度变缓。这种水泥基复合材料的抗折强度随着SiO2涂层改性碳纤维掺量的变化趋势与碳纤维增强水泥基复合材料相同。此外,对比分析可知,相同掺量和相同长度前提下,SiO2涂层改性碳纤维对水泥基复合材料抗折强度的改善效果优于未改性的碳纤维。

图4 SiO2涂层改性碳纤维掺量对水泥基复合材料抗折强度的影响Fig. 4 Effect of SiO2 coating modified carbon fiber content on flexural strength of cement-based composites

图5为SiO2涂层改性碳纤维掺量对水泥基复合材料抗压强度的影响,分别列出了SiO2涂层改性碳纤维长度为1mm、3mm、5mm、7mm和10mm时水泥基复合材料的抗压强度。对比分析可知,,不同SiO2涂层改性碳纤维长度的水泥基复合材料的抗压强度都随着SiO2涂层改性碳纤维掺量的增加先增加后减小,在SiO2涂层改性碳纤维掺量为0.6%时取得最大值（碳纤维长度10mm时106.6MPa）；在相同SiO2涂层改性碳纤维掺量下,SiO2涂层改性碳纤维长度越大则对应的抗压强度越大,当SiO2涂层改性碳纤维长度为10mm、掺量为1%时,水泥基复合材料的抗压强度为104.1MPa,而相同SiO2涂层改性碳纤维掺量下碳纤维长度为1mm的水泥基复合材料的抗压强度为90.4MPa。

图5 SiO2涂层改性碳纤维掺量对水泥基复合材料抗压强度的影响Fig. 5 Effect of SiO2 coating modified carbon fiber content on compressive strength of cement-based composites

图6为SiO2涂层改性碳纤维和碳纤维增强水泥基复合材料的界面破坏形貌,分别列出了长度10mm、掺量1%的SiO2涂层改性碳纤维和长度10mm、掺量1%的碳纤维增强水泥基复合材料的断口形貌。对比分析可知,长度10mm、掺量1%的 SiO2涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的断口形貌中可见较多硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶产物[9],且SiO2涂层改性碳纤维的拔出破坏现象相较碳纤维增强水泥基复合材料更加显著；长度10mm、掺量1%的碳纤维增强水泥基复合材料中仅可见少量C-S-H凝胶,且碳纤维的拔出破坏现象并不明显。整体而言,两种复合材料的破坏机制都为断裂破坏和纤维拔出破坏,但是SiO2涂层改性碳纤维与基体的粘合力更强而造成拔出破坏更为显著,相应地强度会更高。

图6 SiO2涂层改性碳纤维和碳纤维增强水泥基复合材料的界面破坏形貌Fig. 6 Interface failure morphology of SiO2 coating modified carbon fiber and carbon fiber reinforced cement-based composites

当采用SiO2涂层改性碳纤维和碳纤维增强水泥基复合材料时,纤维可以起到增加韧性和抑制裂纹扩展的作用,在制备纤维增强水泥基复合材料过程中,碳纤维在水泥基中随机分布、相互搭接,可以与水泥基良好结合而形成骨架结构[10],从而提高了水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度,且碳纤维越长、含量越高,在受力过程中抑制裂纹扩散的能力越强,耗能越大,抗压强度和抗折强度也越大,但是如果纤维含量过大,在水泥基复合材料中也会形成团聚等现象而产生应力集中等现象而成为薄弱点[11],相应的抗压强度反而降低。SiO2涂层改性碳纤维和碳纤维增强水泥基复合材料的增加韧性和抑制裂纹扩散的机理相似,只是SiO2涂层改性碳纤维可以与水泥基材料中的氢氧化钙产生界面反应而形成了更多的C-S-H凝胶产物,从而改善了纤维与水泥基的界面相容性[12],增加了结合力的同时提高了强度。

3 结论

（1）碳纤维掺量相同条件下,碳纤维增强水泥基复合材料中的碳纤维长度越大则抗折强度越大,但是相对而言,当碳纤维掺量达到0.6%及以上时,水泥基复合材料抗折强度的增加幅度变缓,当碳纤维掺量为0.6%时,碳纤维长度为1mm、3mm、5mm、7mm和10mm时水泥基复合材料的抗压强度都达到最大值。

（2）相同掺量和相同长度前提下,SiO2涂层改性碳纤维对水泥基复合材料的改善效果优于未改性的碳纤维。

（3）断裂破坏和纤维拔出破坏是涂层改性碳纤维和碳纤维增强水泥基复合材料的破坏机制,但是SiO2涂层改性碳纤维与基体的粘合力更强而造成拔出破坏更为显著。